JVM垃圾回收详解

一、JVM垃圾回收（GC, Garbage Collection）的概念

JVM垃圾回收 是指自动管理内存，对程序中不再使用的对象进行回收，以释放内存空间并防止内存泄漏。Java采用自动垃圾回收机制（Automatic Garbage Collection），由 垃圾回收器（Garbage Collector, GC） 自动完成，无需程序员手动释放内存。

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二、JVM内存结构

在进行垃圾回收之前，理解 JVM内存结构 很关键。JVM内存主要分为以下几部分：

1. 程序计数器（Program Counter Register）

   • 线程私有，用于存储当前线程执行的字节码指令地址。

2. Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）

   • 线程私有，存储方法执行的局部变量表、操作数栈等。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）

   • 线程私有，执行本地方法（如C、C++）。

4. 堆（Heap, 重点GC区域）

   • 线程共享，用于存放对象实例，进行垃圾回收的主要区域。
   • 又分为 新生代 (Young Generation) 和 老年代 (Old Generation)。

5. 方法区（Method Area, 又称元空间 Metaspace）

   • 线程共享，存储类信息、常量、静态变量、即时编译器（JIT）代码等。

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三、堆内存分代模型

1. 新生代 (Young Generation)

• Eden区: 新生对象首先分配到Eden区。
• Survivor区: 包括 S0 (Survivor 0) 和 S1 (Survivor 1) 两个区，用于在Minor GC后存活对象的交换存储。
• 特点: 新生代回收频繁，存活率低，使用 复制算法 (Copying Algorithm)。

2. 老年代 (Old Generation)

• 存放经历多次Minor GC仍存活的对象，通常生命周期较长。
• 特点: 回收频率低，存活率高，使用 标记-清除算法 (Mark-Sweep) 或标记-整理算法 (Mark-Compact)。

3. 方法区 (Metaspace)

• 存储类信息、常量池、方法代码等。使用本地内存，不在堆中。

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四、垃圾回收算法

1. 标记-清除算法 (Mark-Sweep)

• 过程:
  1. 标记: 标记所有存活的对象。
  2. 清除: 回收未标记的对象。
• 优点: 简单直接。
• 缺点: 容易产生 内存碎片，降低分配效率。

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2. 复制算法 (Copying Algorithm)

• 过程:
  1. 将新生代分为 Eden区 和两个Survivor区 (S0, S1)。
  2. 活动对象从Eden复制到空的Survivor区，回收Eden区。
  3. 每次只使用Eden和一个Survivor区，交换使用两个Survivor区。
• 优点: 没有碎片，分配连续内存快。
• 缺点: 空间浪费 (通常Eden:Survivor = 8:1:1)。

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3. 标记-整理算法 (Mark-Compact)

• 过程:
  1. 标记存活对象。
  2. 整理: 将存活对象向内存一端移动，清理末端内存。
• 优点: 解决标记-清除的碎片问题，适合老年代。
• 缺点: 移动对象成本较高。

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4. 分代收集算法 (Generational GC)

• 综合使用上述算法，根据 对象存活周期 进行分代：
  • 新生代 (Young Generation): 使用 复制算法，回收频繁，生命周期短。
  • 老年代 (Old Generation): 使用 标记-清除 或 标记-整理算法，回收频率低。
• 优点: 针对不同对象特点优化，提高回收效率。

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五、垃圾回收器（Garbage Collector, GC）种类

1. Serial GC（串行收集器）

• 特点: 单线程，STW (Stop-The-World) 时间长，适合小内存。
• 使用: -XX:+UseSerialGC。

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2. ParNew GC

• 特点: Serial GC 的多线程版本，常用于新生代，配合 CMS GC 使用。
• 使用: -XX:+UseParNewGC。

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3. Parallel GC（并行收集器）

• 特点: 关注吞吐量，采用多线程并行处理。
• 使用: -XX:+UseParallelGC。

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4. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep GC）

• 特点: 低延迟，针对老年代的垃圾回收，分为 标记和清除 阶段。
• 缺点: 容易产生碎片，内存利用率不高。
• 使用: -XX:+UseConcMarkSweepGC。

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5. G1 GC（Garbage First GC）

• 特点: 面向服务端，支持大内存，分区管理内存，避免碎片。
• 分区策略: 将堆划分为多个Region，按优先级回收。
• 使用: -XX:+UseG1GC。

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六、垃圾回收触发条件

1. 新生代满时，触发 Minor GC。
2. 老年代满时，触发 Major GC / Full GC。
3. 方法区或永久代满时，触发 Full GC。

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七、Full GC 和 Minor GC 的区别

对比维度	Minor GC	Full GC
触发条件	新生代满时触发	老年代或方法区满时触发
影响范围	仅新生代 (Eden + Survivor)	整个堆 (新生代 + 老年代 + 方法区)
停顿时间 (STW)	短	长
频率	高	低

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八、JVM调优常用参数

1. 设置新生代和老年代比例

   • -XX:NewRatio=2 (新生代:老年代 = 1:2)

2. 设置Eden和Survivor比例

   • -XX:SurvivorRatio=8 (Eden:Survivor = 8:1:1)

3. 设置最大和最小堆内存

   • -Xms512m (最小)
   • -Xmx1024m (最大)

4. 选择垃圾回收器

   • -XX:+UseG1GC (G1收集器)
   • -XX:+UseConcMarkSweepGC (CMS收集器)

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九、总结

• 分代回收策略 通过新生代和老年代的区分提高效率。
• 不同算法组合使用 满足不同对象存活周期的要求。
• 选择合适的GC策略 根据应用场景权衡 吞吐量 和 延迟。

JVM垃圾回收机制的核心在于 分代管理、合理选择算法和回收器、配置调优，以便在性能和内存使用之间取得平衡。 😊